机车车轴断裂失效分析

徐罗平

(中国南车集团戚墅堰机车车辆工艺研究所，江苏常州213011)

摘　要：应用理化检测手段，对早期断裂失效的机车车轴进行了较为全面的金相分析、化学成分、力学性能检验、断口分析，结果表明：车轴断裂性质属低应力弯曲疲劳断裂，即冷切；在车轴轴身中部，宽度约15mm，深度约4mm的表面环形层内，采用了非正常的补焊工艺，是造成车轴短期运行后发生早期疲劳断裂的主要原因；车轴中心区域存在严重的带状组织，对车轴抗疲劳扩展有不利影响，这种组织非均匀性同时反映出车轴冶金质量上的不足。

关键词：车轴；断裂；疲劳；金相分析

0　简介

2004年4月初，某铁路局机车第六位轮对车轴发生断裂。断裂位置在轴身中部。该机车新造出厂服役才6个月，车轴断裂时的总走行里程约81000km。

车轴材料为JZ45号优质碳素钢，加工工艺流程为：冶炼→铸、轧→锻造→正火热处理→超探(力学性能检查)→粗加工→质量检查→精加工→外观检查→磁粉探伤检查。技术要求按铁标TB/T1027-91“机车车轴技术条件”、国标GB5068-1999“铁路机车车辆车轴用钢”检验，验收。

1　检验分析

1.1　断口的宏观检查及分析

断裂处位于轴身中部，断裂车轴的断口全貌见图1。断面周边仍保持圆形，断口基本与轴向垂直。断面及其附近无严重宏观塑性变形，无缩颈、拉长、拧成锥形麻花状等热切特征。断面上沿周边有一宽度约为50mm的挤擦区，其原始断裂特征已全部消失。断面中心有直径约为100mm的圆形区域，可以清晰看到海滩状贝纹线。据此可以确定，该轴的断裂性质为疲劳断裂。根据疲劳贝纹线的疏密程度可以确定疲劳裂纹的扩展方向，并可初步确定疲劳源位于轴身中部的表面。图1中编号1、2、3三处即为表面区域中的三个独立疲劳源、且编号1所在区域为主疲劳源，编号2、3所在区域为次疲劳源。在周期性应力作用下，这3处表面区疲劳源各自不断扩展，并最后发生瞬时断裂，形成了图1中箭号所指的三个台阶。疲劳区A、C基本处于同一平面内，疲劳区B与A、C沿轴向的高度差约10mm。最后瞬断区面积很小，约占整个断面面积的10%，说明所受载荷并不大。断口面为大致垂直于轴向的平断口，说明断裂车轴承受的载荷以旋转弯曲载荷为主(扭转载荷为主的断口面为与轴向大体成45°的斜断口)。

断口宏观分析结果说明，车轴断裂是以轴身表面3处疲劳源为源的低应力旋转弯曲疲劳断裂，无疑属冷切轴。

图1　断裂机车轴的实物断面全貌(正面拍摄，图中编号1、2、3为疲劳源)

1.2　化学成分复验

断口附近车轴表面和1/2R处的化学成分分析结果见表1，满足TB/T1027-91“机车车辆技术条件”规定。

1.3　力学性能试验

断口附近车轴表面和1/2R处材料的拉伸试验和冲击试验(均沿轴向)、布氏硬度试验结果均能满足TB/T1027-91“机车车辆技术条件”中的有关规定。

1.4　低倍组织检查

断口附近取横向、纵向试样，按GB226-91“钢的低倍组织及缺陷酸蚀检验法”检验，并按GB/T1979-2001“结构钢低倍组织缺陷评级图”评定。低倍检验结果满足GB5068-1999“铁路机车车辆车轴用钢”规定。

2　金相检验

2.1　车轴表面、1/2R处，心部纵向样金相检验

将冲击试样制作成金相检验的试样，对车轴材质作金相检查。检查表明，车轴表面、1/2R处及中心部夹杂物级别均为A1D1(按GB10561-89“钢中非金属夹杂物显微评定方法”评定，下同)；车轴表面区金相组织为铁素体，晶粒度为8级(按GB6394-2002“金属平均晶粒度测定方法”评定，下同)，金相组织为铁素体和珠光体呈均匀分布，为正常的45#钢正火组织，见图2；1/2R处铁素体晶粒度为8级，金相组织为铁素体和珠光体呈带状分布，带状组织级别为3级(按GB/T13299-91“钢的显微组织评定方法”评定，下同)，见图3；取自车轴心部的试样金相检验结果说明，铁素体晶粒度为8级，铁素体和珠光体呈严重带状分布，带状组织为5级，见图4。带状组织为非均匀组织，对抗疲劳扩展不利。

图2　×100  车轴表面区组织

图3　×100  车轴1/2R处组织                       图4　×100  车轴心部组织

2.2　断口样金相检验。

直接在断面上取金相检验样，取样位置见图1，同样检查纵截面。检查发现2#、4#、5#样上沿车轴表面有一宽度(沿轴向长度)约为15mm，深度(沿车轴径向)约为4mm的焊补层。焊缝区化学成分光谱分析结果：w(c)=0.16%；w(Si)=0.45%；w(Mn)=1.17%；w(S)=0.011%；w(P)=0.015%；w(Cu)=0.08%；w(Ni)=0.01%；w(Cr)<0.05%；w(Mo)<0.01%；w(Al)=0.007%；w(Sn)=0.012%，焊补区的母材热影响区、熔合区、焊缝区的金相组织见图5。图1所示次疲劳源2正好处于焊补熔合线区域。根据焊缝宽度推测，主疲劳源1、次疲劳源3大致为沿轴向另一侧的焊补熔合线区域。

图5　×50  焊补熔合线附近组织

根据焊缝区过热粗大柱状晶推测，断口部位轴身上，在宽度15mm左右，深度约4mm的表面环形层内，在车轴热处理后，采用了非正常的补焊工艺。正是在该焊补区萌生疲劳源，造成车轴在短期运行后，发生早期疲劳断裂。

3　分析结论

(1)车轴断裂性质属低应力弯曲疲劳断裂，即冷切。

(2)车轴的化学成分、力学性能、晶粒度、夹杂物等理化数据均符合铁标TB/T1027-91“机车车轴技术条件”的要求。

(3)车轴中心区域存在严重的带状组织(达5级)，对车轴抗疲劳扩展有不利影响，这种组织非均匀性反映出车轴冶金质量上的不足(带状组织在TB/T1027-91中未作规定，建议作适当补充规定)。

(4)在车轴轴身中部，宽度约15mm，深度约4mm的表面环形层内，采用了非正常的补焊工艺，这是造成车轴短期运行后发生早期疲劳断裂的主要原因。